济南大学毕业设计
1 前言
1.1 课题背景
1.1.1镁合金材料发展概况
金属镁作为质轻、节能、环保的优秀金属元素，在全球金属矿产资源日益枯竭、价格大幅攀升的情况下，镁以其资源优势、价格优势、产品性能优势在工业生产中的地位进一步凸显，在未来发展中镁将成为最重要的金属材料。
目前镁合金主要应用于以铸造为主生产的一些机械零件，但受到铸造工艺专业特点的局限，使镁合金应用的空间相当狭小。据有关统计，对于每种金属材料的消耗，板材要占到7 0％以上。在生产中对板材进行各种形状的成形加工，可以生产出很多优质的机械结构零件。板材加工能极大简化金属加工流程，降低成本，扩大实用范围。然而板材成形加工又对板材的加工性能提出了更高的要求：希望通过成型加工得到的组织结构均匀、晶粒细小，容易取得满意的效果。随着汽车、、航空航天、计算机、通讯和消费电子产品等领域节能、环保及舒适的要求，迫切需要优质宽幅的镁合金薄板等金属材料。然而传统的镁合金薄板生产工艺主要是采用热轧和挤压方法，由于热轧工艺和挤压工艺流程长、成材率低、成本高导致价格昂贵，而挤压薄板又受幅面的限制，生产效率低下，因此传统工艺生产的薄板应用领域十分有限。
因此，积极探究镁合金液态连铸连轧技术，生产工艺流程、性能高、成本低的连铸连轧板材，对于镁及镁合金的应用推广，推动产业发展，具有十分重要的意义。 1.1.2板带连铸连轧技术发展概况
板带铸轧技术的发展至今已有150余年的历史。1846年，英国人贝塞麦（Bessemer）就提出，从两个旋转辊轮上方浇注金属液，通过内部具有循环冷却作用的铸轧辊辊缝下边引出铸轧带坯，但是由于当时技术水平和生产工艺条件的限制未能获得成功。在随后的100多年里这项技术始终不为人们重视，到1930年德国人容汉斯(Junghans)报道了立式连续铸轧成功的信息。
在以后的发展中，又依次出现了法国斯卡尔（Scal）公司研制的3C(Continuous Caster Between Cylinder)双辊水平式铸轧机，美国的黑兹利特（Hazelett）公司提出的双带式连铸机，但是由于带坯上表面皮下夹杂物影响生产质量而停止。20世纪80年代以来，随着科学技术的不断发展，对于双带式产生的问题得到解决。其中，德国和日本相继有企业建立试验机组，对该项技术的发展起到了推动作用。
从1964年我国开始研制双辊式铸轧机。在1965年研制出辊径φ400mm的下注式板带铸轧机，并成功生产出宽700mm的带坯。但因故中间试验停止，直到1975年此项技术得到国家相关部委的验收。此后板带铸轧技术在我国快速发展。
截至目前，根据不完全的统计，我国实际生产中投入的双辊式板带铸轧机在100
- 1 -
济南大学毕业设计
套之上。不论是有色金属铸轧板带铸轧技术装备还是生产工艺，我国已完全掌握了这项技术，生产设备和产品均能达到国际先进水平。
1.2 镁合金板带连铸连轧生产的特点
在板带连续铸轧技术应用以前，世界上板带生产长期沿用模铸热轧的传统方式组织生产。该方法依次经过铸锭、切割、铣面、加热、开坯、热轧等一系列工序，且存在投资多、占地面积大、生产周期长、参与人员多、能耗大、生产成本高等一系列显著的缺点。与传统模铸法相比，镁合金的连铸连轧技术具有以下的特点：
（1）合金板带的铸造与轧制集中于一台设备，且近乎同时完成。比之于传统的方式省去了铸锭加热、开坯、热轧等多道工序，减少了废料的再次熔炼，极大节约了能源消耗；
（2）省略铸锭铣面和热轧后切头去尾的工序，成材率提高；
（3）设备简单集中、投资少、占地面积小、建造速度快、生产成本低； （4）生产连续稳定，生产工艺简化、生产周期缩短、人员配备少、生产率提高、易实现自动化。
- 2 -
济南大学毕业设计
2工艺与设备设计方案
2.1 设计任务
设计任务包括以下两个方面： （1） 镁合金连铸连轧工艺参数：
轧制镁合金板带的牌号：AZ31（Al 3%，Zn0.1%），性能参数见表2.1：
表2.1 轧制镁合金性能参数
抗拉强度/MPa 拉伸/MPa 220 屈服强度 /MPa 压缩/MPa 180 承载/MPa 325 剪切强度/MPa 弹性模量/MPa 硬度 /HR 290 160 45 73
生产的镁合金板带参数：宽300—600mm，厚0.5—9mm；
铸轧机轧辊速度：0.5—1m/s. （2） 镁合金连铸连轧设备的设计：
此部分的主要设计内容在铸轧机的设计，其余部分只作简要设计说明。
2.2 方案设计
2.2.1 镁合金连铸连轧生产工艺确定
镁合金的连铸连轧工艺与设备用来制作镁合金的条带或板材，其特点是将熔融的镁合金溶液通过铸嘴倒入一对转向相反、内部通冷却水的铸轧辊之间，在这对辊缝中完成浇铸、冷却、结晶、凝固、轧制和出坯等一系列的工艺过程，其间同时进行着复杂的流变和物理化学过程。其组织生产基本原理如图2.1所示。
图2.1镁合金连铸连轧工艺与设备基本原理示意简图
1.熔炼中间包2.溶液输送装置3.轧辊4.牵引机5.剪切机6.卷取机
- 3 -
济南大学毕业设计
从前图所示可以看出，整个生产线可以概括为熔炼系统、浇铸系统、铸轧系统和牵引卷曲系统四大部分。
这种工艺巧妙地把铸造和轧制两种工艺结合起来，相比于传统的方式先铸造出镁合金铸锭后经加热炉加热，再进行轧制的生产流程，具有简化工艺、改善劳动条件、增加金属收得率、节约能源、提高连铸坯质量、便于实现机械化和自动化的优点，能够满足用户的生产需求。
结合生产厂家现阶段生产实际，对生产工艺流程作出如下的设计：
镁合金锭熔化——镁液输送镁液流嘴——铸轧机——连轧机——剪切机——矫直机——精轧机——后续处理——产品。
此生产工艺与传统的生产流程相比，具有工艺流程短、可控性强的显著特点。 2.2.2 镁合金连铸连轧核心设备设计方案的确定
鉴于生产线设备较多和本人学识有限，在此次设计中仅对铸轧中的核心部件即铸轧机进行相关设计。
（1）铸轧机形式
经过一个世纪的发展，板带铸轧设备的形式已有10余种之多，按结构可进行以下的分类：
? 双辊式板带铸轧设备：这种铸轧机是将液态金属注入两个相对旋转的铸轧辊的辊
缝，通过轧辊内部冷却水将热量带走，同时通过双辊间形成的铸轧区连续轧制出薄的带板。双辊式铸轧机包括下注双辊式铸轧机、倾斜双辊式铸轧机、水平双辊式铸轧机等三种形式，其中倾斜式还分为低速和高速两种；
? 带轮式铸轧设备：由铸轮凹槽同旋转外包的钢带形成移动式铸模，将液态金属注
入铸轮凹槽和旋转带钢之间，通过铸轮内冷却水带走热量，得到薄的板带，然后进一步轧制出较好的带材；
? 双带式铸轧设备：在两张紧的平行钢带之间注入液态金属，依靠由双带形成的移
动结晶器铸成薄的带坯，再轧制出带材；
? 其他形式的铸轧设备：除以上三种设备以外还有单辊式、多辊式等形式的铸轧设
备。
结合厂家生产设备将铸轧机形式定为水平双辊式铸轧机，这种铸轧机与其他铸轧机相比具有安装调试方便、易于维护的特点
（2）设备组成
本次设计的镁合金板带铸轧机列的设备主要包括工作机座、万向接轴、联轴器、接轴平衡机构、分齿箱、减速器、电动机等部件。
? 工作机座：作为铸轧机的执行机构，它由轧辊及其轴承、轧辊调整装置、机架等
零部件和机构组成；
? 连接轴：铸轧机中电机运动产生的力矩是通过连接轴传递到轧辊的。铸轧机中常
- 4 -
济南大学毕业设计
用的连接轴有万向接轴、梅花接轴、齿轮接轴以及联合接轴等，具体选择视情况而定；
? 分齿箱：通过分齿箱的传输力矩被分成两个相反方向的传动形式，这样就保证了
轧辊的啮合旋转，且速度同步，方向相反； ? 减速器：将电动机传出的转速降低到所需要的程度；
? 电动机：在本次设计中选取电动机作为铸轧机的动力源，其型号的选取与铸轧机
工作制度相关，具体型号选取见电动机选取部分。
- 5 -